鐵路空調發電車夏季車內流場CFD 仿真

史殿新，馬穎珊，溫佳澄，聶春戈，李健，陶然

(1.116028 遼寧省 大連市 大連交通大學 機車車輛工程學院；2.430074 湖北省 武漢市 華中科技大學 武漢光電國家研究中心；3.116028 遼寧省 大連市 大連交通大學 藝術學院)

0 引言

空調發電車作為專門為旅客列車提供電力的車廂，是客運列車的重要組成部分。發電車本質上是一種特種車輛，當前空調發電車一般是以25T 或25G 車型改造出來的，發電車依靠燃油進行發電，而且一般整列車廂處于密封狀態，因而在長時間運行工作下，發電機會產生大量熱量，室內熱環境指標較差，發電機機身溫度高達700 ℃左右，發電車車內溫度可達70 ℃左右。工作人員在工作過程中伴隨著高溫、高噪聲振動及有害物質污染，工作環境極其惡劣，尤其是在炎熱季節。長期在這種環境下工作，會對工作人員身體產生影響，引發一些疾病[1]。為此，我們需要通過空調設備來對發電車車廂內進行換風和降溫，以改善工作人員的工作環境。

隨著計算機技術的不斷發展，CFD（計算流體力學）技術已經成為模擬仿真列車車廂流場分布、研究車廂內熱舒適性、分析改進空調送風系統的主要方法。李洪民[2]、張登春[3]研究了空調硬座列車車內的流場和溫度場；楊如輝等[4]、劉志永等[5]以及Sun 等[6]研究了空調列車軟臥車廂的氣流分布和熱環境；陳寧等[7]、王燁等[8-9]對高原空調列車車內流場和溫度場進行數值分析，開展相關研究；林鵬等[10]基于CFD 理論，研究發電列車車下燃油箱的保溫性能。但是關于發電車內流場的分析，目前很少有人研究。本文應用Fluent 軟件，以25 型空調發電車為研究對象，對其在夏季工況下的速度場和溫度場進行數值模擬，著重研究了送風溫度和送風速度對發電車車內速度場和溫度場的影響，為后續優化發電車車內氣流組織和舒適性奠定基礎。

1 基本原理及計算模型

1.1 計算流體力學基本原理

發電車車廂內空氣流動滿足流動基本方程，即質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程，而CFD 則是在流動基本方程控制下對流動的數值模擬。通過CFD 數值模擬，可以得到復雜流場內速度、壓力和溫度等基本物理量的分布情況。在發電車運行過程中，其室內空氣流動和熱傳遞可以通過CFD 進行數值模擬。

為了方便計算，假設發電車廂內的空氣和空調通風系統內空氣低速流動并且不可壓縮，且符合Boussinep 假設；發電車廂內空氣的流動看作穩態流動；忽略車廂內固體壁面間的熱輻射；發電車車廂氣密性好，忽略漏風因素。

判斷發電車車廂內空氣流動的狀態，雷諾數計算公式為

式中：ρ——流體密度；μ——流體粘性系數；v——流體流動的平均速度；D——特征常數，取流動通道的直徑尺寸。計算可得雷諾數Re＞4 000，因此發電車車內氣體模型可以視為湍流模型。

Fluent 中湍流計算模型有很多種，包括單方程（Spalart-Allmaras）模型、雙方程模型（標準k-ε模型、RNGk-ε模型、可實現k-ε模型）以及Reynolds 應力模型和大渦模型。本文計算屬于室內空氣流場計算，采用標準k-ε模型，利用SIMPLE 算法求解。標準k-ε模型的湍流動能k 和湍流耗散率ε方程為

式中：Gk——由平均速度梯度引起的湍動能產生項；Gb——由浮力影響引起的湍動能的產生項；YM——可壓湍流脈動膨脹對總耗散率的影響；C1ε、C2ε、C3ε——經驗常數，本文取C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09；σk、σε——k 和ε對應的Prandtl 數；Sk、Sε——用戶定義的源項；μt——湍流粘度，。

1.2 計算模型

發電車車廂內分為儲油間、發電間、配電間、休息間、材料工具間等，因而發電車具有非對稱的車廂內布局。發電車內有電氣控制柜、發電機組、液壓管路、材料柜、制動裝置、整流裝置等關鍵零、部件，休息間設有兩層半軟鋪位供工作人員休息，其中發電機組和電氣控制柜是主要熱源，休息床鋪和材料柜對流場有較大影響，其余部件對車廂內流場影響可忽略不計，因而模擬時不做考慮；本文發電車車體長度為25 500 mm，寬度為3 110 mm，最大高度為4 400 mm，將發電車車體及內部設備進行簡化，利用SolidWorks 軟件建立發電車簡化幾何模型如圖1 所示。

圖1 發電車車廂幾何模型Fig.1 Geometric model of generator train

列車外部空氣通過空調系統加熱或制冷后，經主風道通過各支風道送入車廂?？照{系統的風道一般與車廂長度相近，風道中的風速較低，送風過程必然會損失一部分能量，故空調系統的送風過程不能省略。本文空調系統安置在車廂頂部，主要由進風口、主風道、支風道、導流板和隔板組成，長度為20 466 mm，其仿真模型如圖2 所示。

圖2 空調系統仿真模型Fig.2 Simulation model of air conditioning system

發電車車廂及空調系統的面網格采用三角形單元網格劃分，車體及空調系統內部流體網格采用四面體單元劃分。為了更準確地模擬發電車車廂內的氣流組織分布，將發電機組、電氣控制柜、床鋪和材料柜區域進行網格加密處理，有限元模型網格總數為5 189 149 個，車廂和空調系統等2D 網格的最小雅可比值（jacobian）為1，翹曲度（warpage）最大值為0，歪斜度（skew）最大值為0，網格質量滿足計算要求，整體發電車仿真模型如圖3 所示。

圖3 整體發電車仿真模型Fig.3 Overall simulation model of generator train

發電車邊界條件設置如下：

（1）車廂內外計算參數：本文對夏季工況下發電車車廂進行分析，車廂外界溫度設為35 ℃，車廂內壁面溫度設為26.85 ℃。

（2）壁面邊界條件：車窗、導流板、風道，邊界條件為wall，設置材料為aluminum；側墻、端墻、車底、車頂，邊界條件為wall，設置材料為steel。車底綜合傳熱系數為0.54 W/(m2·K)，側墻綜合傳熱系數設置為0.58 W/(m2·K)，車頂綜合傳熱系數設置為1.33 W/(m2·K)，車窗綜合傳熱系數設置為1.4 W/(m2·K)[11]，端墻、休息鋪位、材料柜設為絕熱壁面，即綜合傳熱系數為0。

（3）風口邊界條件：送風口設為速度入口（velocity-inlet），每個送風口參數一致，送風參數根據具體工況確定，各工況送風參數見表1；出風口設為壓力出口（pressure-outlet），每個出風口參數一致。

表1 空調系統5 種工況下的送風參數Tab.1 Air supply parameters of air conditioning system under five working conditions

（4）熱源邊界條件：發電機組功率設為160 kW/臺，柴油發電機組在運行時，效率大約為33%，有70%左右的能量沒有得到充分利用，其中10%左右的能量擴散到發電車車廂內[12]，因而柴油發電機組發熱量為48.5 kW。電氣控制柜發熱量設為1.5 kW[13]。將柴油發電機組和電氣控制柜簡化為面熱源。面熱源的熱流密度計算公式如式(4)：

式中：P——熱源的熱流密度；p——面熱源的發熱量；V——面熱源的散熱面積。

2 計算結果及分析

GBZ 1-2010《工業企業設計衛生標準 》規定，夏季特殊高溫作業室內外溫差不應超過2 ℃，高溫作業車間的工間休息室溫度應≤30 ℃，設有空氣調節的休息室室內氣溫應保持在24～28 ℃。

本文采用CFD 軟件Fluent 進行數值模擬，仿真計算了柴油發電機組和空調系統運行過程中發電車車廂內的空氣流動狀況，對不同工況下的速度場、溫度場等結果進行對比分析。由于發電車車廂較大，室內氣流組織為大體積的三維空氣流場，結果分析時只能選取一些典型截面。在車廂高度方向選取截面a（z=0.1 m 截面即工作人員站立時腳部截面）和截面b（z=1.7 m 處截面即工作人員站立時頭部截面），在車廂長度方向選取一個截面c（休息間寬度方向中心截面）。

2.1 送風溫度影響

選取工況1、2、3 進行數值模擬，分析送風溫度對發電車散熱影響。空調系統送出的冷氣流從車廂送風口以射流形式進入車室，由于送風氣流與車廂內氣流溫度不同，因而兩者的密度不同，送風氣流會逐漸向下流動，最終從各出風口送出。

圖4 上方溫度條表示截面a、b 的溫度云圖范圍為26～46 ℃，自上而下分別為工況1—工況3 的各截圖溫度云圖。從圖4 可以發現，受發電機組和電氣控制柜等熱源影響，發電機組和電氣控制柜附近區域溫度較高，最高溫度出現在發電機組的表面。在工況3 發電機組表面溫度最高，為45.57 ℃；對比圖4 中3 個工況的溫度云圖不難看出，隨著送風溫度的升高，車廂內的溫度均勻性有所提高。在送風溫度為22 ℃時，車廂內發電間、配電間等大部分區域溫度在34.42 ℃左右，滿足室內外溫差小于2 ℃的標準要求。

圖4 工況1、2、3 的截面a、b 溫度云圖Fig.4 Temperature nephogram of section a and b of working conditions 1,2 and 3

觀察圖5 可以看出，下沉的送風氣流和車廂兩側貼壁氣流進行對流換熱，由于車窗處的對流換熱系數較高，故氣流在車窗附近形成渦旋，因而車窗附近區域風速較高；由于發電間和配電間熱源的存在，熱源區域空氣與周圍空氣進行換熱，使得熱源周圍風速較高；由于貨架的遮擋作用，氣流在貨架處形成渦旋，速度較高，而貨架中的風速較低；由于出風口原因，在截面a 處3 個出風口附近的風速較高。對比圖5 中3 個工況的速度云圖可以看出，送風溫度的變化對車廂內速度場沒有明顯影響。

圖5 工況1、2、3 的截面a、b 速度云圖Fig.5 Velocity nephogram of section a and b under working conditions 1,2 and 3

從圖6 可以更直觀地看出冷空氣從空調系統中進入車廂，與車廂中的空氣進行換熱。由于床鋪的遮擋作用，下鋪區域的換氣效果較差，故溫度較高；由于休息間設有出風口，下鋪與地面之間區域的空氣流通較好，故溫度較低；上鋪區域由于直面車廂送風口，故在車廂送風口一側的上鋪區域溫度相對較低。工況1 中休息室溫度為27.76～29.83 ℃，休息室最高溫度與標準要求相差1.83 ℃；工況2中休息室溫度在29.14～31.90 ℃，休息室最高溫度與標準要求相差3.90 ℃；工況3 中休息室溫度在30.52～33.28 ℃，休息室最高溫度與標準要求相差5.28 ℃；通過對比不難發現，隨著送風溫度的降低，休息室內的溫度有了一定的下降，需降低送風溫度滿足標準要求。

圖6 工況1、2、3 的截面 c 溫度云圖Fig.6 Temperature nephogram of section c under working conditions 1,2 and 3

通過對比分析，隨著送風溫度的提高，發電車車廂內的熱環境相對更均勻穩定，對于設備的安全運行有一定的幫助，同時減少能耗。當送風溫度為22 ℃時，車廂內大部分區域在34.42 ℃左右，滿足室內外溫差標準；而降低送風溫度時，休息間的溫度也隨之降低，更加接近標準休息間溫度，對于在休息間休息的工作人員更加友好。

2.2 送風速度影響

選取工況2、4、5 進行數值模擬，分析送風速度對發電車散熱影響。從圖7 可見，工況4 下的車廂內溫度范圍在30.21～41.79 ℃，截面a、截面b 溫差在1.1～1.9 ℃；工況2 的車廂內溫度范圍在28.11～40.74 ℃，截面a、截面b 溫差在1.1～2.1 ℃；工況5 下的車廂內溫度范圍在27.05～39.68 ℃，截面a、截面b 溫差在1.0～2.8 ℃；不難看出，隨著送風速度的增加，車廂內各個位置溫度均有下降，熱源影響區域同時減少；但工況4 中，車廂整體的熱環境均勻性較好，車廂大部分區域在33.37 ℃左右，滿足室內外溫差小于2 ℃標準要求。

圖7 工況4、2、5 的截面a、b 溫度云圖Fig.7 Temperature nephogram of section a and section b under working conditions 4,2 and 5

觀察圖8 發現，隨著送風速度的增加，車廂內的速度場并沒有明顯的變化，這是由于車室內熱源的影響，送風氣流進入車廂形成渦旋，與熱源影響區域進行對流換熱，送風氣流對車廂下方流場影響較小，故雖然送風速度增加，但對車廂內速度場影響不大，即對車廂內溫度場影響程度幾乎相同。

圖8 工況4、2、5 的截面a、b 速度云圖Fig.8 Velocity nephogram of section a and section b under working conditions 4,2 and 5

觀察圖9 可以更直觀地看出，空調系統的冷氣流進入車廂，在車廂上方形成2 個渦旋；隨著送風速度的提高，車廂內的溫度降低，送風速度提高0.5 m/s，車廂內溫度普遍下降1.5 ℃左右；工況4 休息間溫度范圍在30.52～33.28 ℃，工況2 休息間溫度范圍在29.14～31.90 ℃，工況5 休息間溫度范圍在27.76～29.83 ℃，可以看出當送風速度為4 m/s 時，休息間的溫度最接近標準溫度范圍。

圖9 工況4、2、5 的截面c 溫度云圖Fig.9 Temperature nephogram of section c under working conditions 4,2 and 5

3 結論

本文以25 型空調發電車為研究對象，利用Fluent 軟件對發電車車廂內的流場和溫度場進行數值模擬，通過調節空調系統送風參數探究送風速度和溫度對發電車廂內流場及溫度場影響，結果表明：

（1）送風溫度的變化對發電車車廂速度場的影響不大，但隨著送風溫度的增加，發電車車廂內的整體熱環境較好，在實際應用中送風溫度的提高也會減小能耗，當送風溫度為22 ℃時，車廂內大部分區域在34.42 ℃左右，滿足標準要求；但同時較高的送風溫度會使得休息間的溫度遠高于標準要求，當送風溫度為18℃時，休息間的溫度范圍接近標準溫度。（2）由于熱源影響較大，送風速度的增加并不會對發電車車廂速度場產生明顯的影響，較小的送風速度反而有利于維持車廂內熱環境的均勻性，當送風速度為3 m/s 時，車廂內大部分區域在33.37 ℃左右，滿足標準要求；同樣的，較小的送風速度使得車廂內的溫度普遍提高，當送風速度為4 m/s 時，休息間的溫度范圍接近標準溫度。（3）在實際應用中需要綜合考慮工作人員的需求和設備運行所需的穩定熱環境以及發電車能耗，合理設置送風溫度和送風速度，可以采取在休息間增加風扇等措施，單獨降低休息間的溫度，改善工作人員的休息環境。

本文是在給定的送風參數開展的模擬計算，計算結果所反映的現象與實際情況的接近程度，還需要后續的實車測試結果進行對比驗證。